JP2003252614A - 中空カーボンナノカプセルの製造方法 - Google Patents
中空カーボンナノカプセルの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 純度の高い中空カーボンナノカプセルの製造
方法を提供する。 【解決手段】 （ａ）グラファイト陰極とグラファイト
陽極とを備えるアークチャンバーを準備し、このアーク
チャンバーに不活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス
電流により該グラファイト陰極と該グラファイト陽極と
のあいだに電圧を印加して、アーク放電を発生させる工
程、および（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した堆積
物を収集する工程、からなる中空カーボンナノカプセル
の製造方法。
方法を提供する。 【解決手段】 （ａ）グラファイト陰極とグラファイト
陽極とを備えるアークチャンバーを準備し、このアーク
チャンバーに不活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス
電流により該グラファイト陰極と該グラファイト陽極と
のあいだに電圧を印加して、アーク放電を発生させる工
程、および（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した堆積
物を収集する工程、からなる中空カーボンナノカプセル
の製造方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、純度の高い中空カ
ーボンナノカプセルの製造方法に関する。
ーボンナノカプセルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】中空カーボンナノカプセルは、多層グラ
ファイトからなる球を内包した球殻の構造（ｂａｌｌｓ
−ｗｉｔｈｉｎ−ａ ｂａｌｌ）の多面体カーボンクラ
スターであり、その直径は約３〜６０ｎｍである。中空
カーボンナノカプセルは、特異なフラーレン構造および
光電子特性を備えており、たとえば、薬品（薬用の活性
炭）、光／熱吸収・電磁波遮断・有機発光材料、ソーラ
ーモジュール、触媒、センサー、リチウム電池内の炭素
電極、熱伝導性および特殊な電気特性を有するナノスケ
ール複合材料、並びに印刷用のナノスケールカーボンパ
ウダーといった多種多様な分野への応用が可能である。
ファイトからなる球を内包した球殻の構造（ｂａｌｌｓ
−ｗｉｔｈｉｎ−ａ ｂａｌｌ）の多面体カーボンクラ
スターであり、その直径は約３〜６０ｎｍである。中空
カーボンナノカプセルは、特異なフラーレン構造および
光電子特性を備えており、たとえば、薬品（薬用の活性
炭）、光／熱吸収・電磁波遮断・有機発光材料、ソーラ
ーモジュール、触媒、センサー、リチウム電池内の炭素
電極、熱伝導性および特殊な電気特性を有するナノスケ
ール複合材料、並びに印刷用のナノスケールカーボンパ
ウダーといった多種多様な分野への応用が可能である。
【０００３】しかし、高純度のカーボンナノカプセルに
ついて、その製造工程を記載した文献は未だ存在してい
ない。中空カーボンナノカプセルはカーボンナノチュー
ブ製造の際にごく少量が発見されるだけであり、従来の
工程によって得られるのは主に長いカーボンナノチュー
ブである。しかし、これはカーボンナノカプセルとのあ
いだに分子間力を生ずるものであり、カーボンナノカプ
セルを分離させて単独に得るのは難しい。このため、カ
ーボンナノカプセル関連の応用開発が制限されていた。
ついて、その製造工程を記載した文献は未だ存在してい
ない。中空カーボンナノカプセルはカーボンナノチュー
ブ製造の際にごく少量が発見されるだけであり、従来の
工程によって得られるのは主に長いカーボンナノチュー
ブである。しかし、これはカーボンナノカプセルとのあ
いだに分子間力を生ずるものであり、カーボンナノカプ
セルを分離させて単独に得るのは難しい。このため、カ
ーボンナノカプセル関連の応用開発が制限されていた。
【０００４】特許文献１および非特許文献１〜２は、主
産物としてのカーボンナノチューブとその副産物として
のナノ粒子を製造するプロセスについて開示している。
この特許発明では、直流電流を利用してアーク放電を発
生させることが提案されている。また、特許文献２およ
び非特許文献３〜４では、レーザー蒸発法による触媒プ
ロセスを用いたナノファイバー、カーボンナノ粒子およ
びフラーレンの製造が提案されているが、このプロセス
は高コスト、低収率であり、しかも、得られる生成物は
容易に精製ができない。
産物としてのカーボンナノチューブとその副産物として
のナノ粒子を製造するプロセスについて開示している。
この特許発明では、直流電流を利用してアーク放電を発
生させることが提案されている。また、特許文献２およ
び非特許文献３〜４では、レーザー蒸発法による触媒プ
ロセスを用いたナノファイバー、カーボンナノ粒子およ
びフラーレンの製造が提案されているが、このプロセス
は高コスト、低収率であり、しかも、得られる生成物は
容易に精製ができない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６０６３２４３号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９７４０３８９号明細
書
書
【非特許文献１】スミオ・イイジマ（Sumio Iijima）、
ヘリカル・マイクロチューブルス・オブ・グラファイテ
ィック・カーボン（Helical microtubles of graphitic
carbon）、ネイチャー（NATURE）、１９９１年１１月
７日、第３５４巻、ｐ．５６−５８
ヘリカル・マイクロチューブルス・オブ・グラファイテ
ィック・カーボン（Helical microtubles of graphitic
carbon）、ネイチャー（NATURE）、１９９１年１１月
７日、第３５４巻、ｐ．５６−５８
【非特許文献２】ヤハチ・サイトウ（Yahachi Sait
o）、外４名、グロウス・アンド・ストラクチャー・オ
ブ・グラファイティック・チューブルス・アンド・ポリ
ヘドラル・パーティクルス・イン・アークディスチャー
ジ（Growth and structure of graphitic tubules and
polyhedral particles in arc-discharge）、ケミカル
・フィジックス・レターズ（CHMICAL PHYSICS LETTER
S）、１９９３年３月１９日、第２０４巻、第３．４
号、ｐ．２７７−２８２
o）、外４名、グロウス・アンド・ストラクチャー・オ
ブ・グラファイティック・チューブルス・アンド・ポリ
ヘドラル・パーティクルス・イン・アークディスチャー
ジ（Growth and structure of graphitic tubules and
polyhedral particles in arc-discharge）、ケミカル
・フィジックス・レターズ（CHMICAL PHYSICS LETTER
S）、１９９３年３月１９日、第２０４巻、第３．４
号、ｐ．２７７−２８２
【非特許文献３】ダニエル・ウガルテ（Daniel Ugart
e）、フォーメイション・メカニズム・オブ・クウェザ
イ−スフェリカル・カーボン・パーティクルス・インデ
ュースト・バイ・エレクトロン・ボンバードメント（Fo
rmation mechanism of quasi-spherical carbon partic
les induced by electron bombardment）、ケミカル・
フィジックス・レターズ（CHMICAL PHYSICS LETTER
S）、１９９９年３月２８日、第２０７巻、第４．５．
６号、ｐ．４７３−４７９
e）、フォーメイション・メカニズム・オブ・クウェザ
イ−スフェリカル・カーボン・パーティクルス・インデ
ュースト・バイ・エレクトロン・ボンバードメント（Fo
rmation mechanism of quasi-spherical carbon partic
les induced by electron bombardment）、ケミカル・
フィジックス・レターズ（CHMICAL PHYSICS LETTER
S）、１９９９年３月２８日、第２０７巻、第４．５．
６号、ｐ．４７３−４７９
【非特許文献４】ヴィ・ジィ・モルドコヴィッチ（V.Z.
Mordkovich）、ジ・オブザベーション・オブ・ラージ・
コンセントリック・シェル・フラーレンズ・アンド・フ
ラーレン−ライク・ナノパーティクルス・イン・レーザ
ー・ピロリシス・カーボン・ブラックス（The Observat
ion of Large Concentric Shell Fullerenes and Fulle
rene-like Nanoparticles in Laser Pyrolysis Carbon
Blascks）、ケム・マター（Chem.Mater.）、２０００年
１２月、第１２巻、第９号、ｐ．２８１３−２８１８
Mordkovich）、ジ・オブザベーション・オブ・ラージ・
コンセントリック・シェル・フラーレンズ・アンド・フ
ラーレン−ライク・ナノパーティクルス・イン・レーザ
ー・ピロリシス・カーボン・ブラックス（The Observat
ion of Large Concentric Shell Fullerenes and Fulle
rene-like Nanoparticles in Laser Pyrolysis Carbon
Blascks）、ケム・マター（Chem.Mater.）、２０００年
１２月、第１２巻、第９号、ｐ．２８１３−２８１８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、これまでになかった純度の高い中空カーボンナノカ
プセルの製造方法を提供することにある。
は、これまでになかった純度の高い中空カーボンナノカ
プセルの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
（ａ）グラファイト陰極とグラファイト陽極とを備える
アークチャンバーを準備し、このアークチャンバーに不
活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス電流により該グ
ラファイト陰極と該グラファイト陽極とのあいだに電圧
を印加して、アーク放電を発生させる工程、および
（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した堆積物を収集す
る工程、からなる中空カーボンナノカプセルの製造方法
に関する。
（ａ）グラファイト陰極とグラファイト陽極とを備える
アークチャンバーを準備し、このアークチャンバーに不
活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス電流により該グ
ラファイト陰極と該グラファイト陽極とのあいだに電圧
を印加して、アーク放電を発生させる工程、および
（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した堆積物を収集す
る工程、からなる中空カーボンナノカプセルの製造方法
に関する。
【０００８】前記不活性ガスの流量が、３０〜１２０ｃ
ｍ3／分であることが好ましい。
ｍ3／分であることが好ましい。
【０００９】前記アークチャンバーの圧力が、１〜１０
気圧であることが好ましい。
気圧であることが好ましい。
【００１０】前記グラファイト陰極および前記グラファ
イト陽極が、グラファイト棒からなることが好ましい。
イト陽極が、グラファイト棒からなることが好ましい。
【００１１】前記パルス電流の周波数が、０．０１〜５
００Ｈｚであることが好ましい。
００Ｈｚであることが好ましい。
【００１２】前記アーク放電を、パルス電流０．０１〜
５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００Ａの
下で発生させることが好ましい。
５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００Ａの
下で発生させることが好ましい。
【００１３】前記工程（ｃ）が、前記グラファイト陰極
に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われるこ
とが好ましい。
に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われるこ
とが好ましい。
【００１４】前記堆積物の前記コア部分が、主産物とし
ての中空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカー
ボンナノチューブとを含むことが好ましい。
ての中空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカー
ボンナノチューブとを含むことが好ましい。
【００１５】本発明はまた、（ａ）グラファイト陰極と
グラファイト陽極とを備えるアークチャンバーを準備
し、このアークチャンバーに不活性ガスを導入する工
程、（ｂ）パルス電流により該グラファイト陰極と該グ
ラファイト陽極とのあいだに電圧を印加して、アーク放
電を発生させる工程、（ｃ）該グラファイト陰極上に堆
積した、主産物としての中空カーボンナノカプセルと、
副産物としてのカーボンナノチューブとを包含する堆積
物を収集する工程、および（ｄ）該堆積物を分離により
精製して中空カーボンナノカプセルを得る工程、からな
る中空カーボンナノカプセルの製造方法に関する。
グラファイト陽極とを備えるアークチャンバーを準備
し、このアークチャンバーに不活性ガスを導入する工
程、（ｂ）パルス電流により該グラファイト陰極と該グ
ラファイト陽極とのあいだに電圧を印加して、アーク放
電を発生させる工程、（ｃ）該グラファイト陰極上に堆
積した、主産物としての中空カーボンナノカプセルと、
副産物としてのカーボンナノチューブとを包含する堆積
物を収集する工程、および（ｄ）該堆積物を分離により
精製して中空カーボンナノカプセルを得る工程、からな
る中空カーボンナノカプセルの製造方法に関する。
【００１６】前記不活性ガスの流量が、３０〜１２０ｃ
ｍ3／分であることが好ましい。
ｍ3／分であることが好ましい。
【００１７】前記アークチャンバーの圧力が、１〜１０
気圧であることが好ましい。
気圧であることが好ましい。
【００１８】前記パルス電流の周波数が、０．０１〜５
００Ｈｚであることが好ましい。
００Ｈｚであることが好ましい。
【００１９】前記アーク放電を、パルス電流０．０１〜
５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００Ａの
下で発生させることが好ましい。
５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００Ａの
下で発生させることが好ましい。
【００２０】前記工程（ｃ）が、前記グラファイト陰極
に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われるこ
とが好ましい。
に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われるこ
とが好ましい。
【００２１】前記工程（ｄ）が、（ｄ１）界面活性剤に
より前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ２）カ
ラムクロマトグラフィーにより前記主産物としての中空
カーボンナノカプセルと、前記副産物としてのカーボン
ナノチューブとを分離する工程、および（ｄ３）回転遠
心分離法により前記中空カーボンナノカプセルから前記
界面活性剤を除去する工程、からなることが好ましい。
より前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ２）カ
ラムクロマトグラフィーにより前記主産物としての中空
カーボンナノカプセルと、前記副産物としてのカーボン
ナノチューブとを分離する工程、および（ｄ３）回転遠
心分離法により前記中空カーボンナノカプセルから前記
界面活性剤を除去する工程、からなることが好ましい。
【００２２】前記界面活性剤が、陽イオン界面活性剤、
陰イオン界面活性剤、両イオン界面活性剤、または非イ
オン界面活性剤であることが好ましい。
陰イオン界面活性剤、両イオン界面活性剤、または非イ
オン界面活性剤であることが好ましい。
【００２３】前記界面活性剤が、セチルトリメチルアン
モニウムブロミドまたはドデシル硫酸ナトリウムである
ことが好ましい。
モニウムブロミドまたはドデシル硫酸ナトリウムである
ことが好ましい。
【００２４】前記工程（ｄ２）は、その先端にろ過フィ
ルムが備わったカラムを使用して行われることが好まし
い。
ルムが備わったカラムを使用して行われることが好まし
い。
【００２５】前記ろ過フィルムの孔径が、０．１〜１．
０μｍであることが好ましい。
０μｍであることが好ましい。
【００２６】前記工程（ｄ３）によって得られた前記中
空カーボンナノカプセルが、９５％以上の純度を有する
ことが好ましい。
空カーボンナノカプセルが、９５％以上の純度を有する
ことが好ましい。
【００２７】前記工程（ｄ）が、（ｄ１）界面活性剤に
より前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ２）ろ
過フィルムにより前記主産物としての中空カーボンナノ
カプセルと、前記副産物としてのカーボンナノチューブ
とを分離する工程、（ｄ３）回転遠心分離法により前記
中空カーボンナノカプセルから前記界面活性剤を除去す
る工程、からなることが好ましい。
より前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ２）ろ
過フィルムにより前記主産物としての中空カーボンナノ
カプセルと、前記副産物としてのカーボンナノチューブ
とを分離する工程、（ｄ３）回転遠心分離法により前記
中空カーボンナノカプセルから前記界面活性剤を除去す
る工程、からなることが好ましい。
【００２８】前記ろ過フィルムの孔径が、０．１〜１．
０μｍであることが好ましい。
０μｍであることが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】上述の目的を達成するため、本発
明にかかわる純度の高い中空カーボンナノカプセルの製
造方法は、グラファイト陰極およびグラファイト陽極を
備えたアークチャンバーを準備し、このアークチャンバ
ーに不活性ガスを導入した後、パルス電流により電圧を
陰極と陽極とのあいだに印加してアーク放電を発生さ
せ、最後に、陰極上に堆積された堆積物を収集すること
により行われる。この堆積物には、主産物としての中空
カーボンナノカプセルおよび副産物としてのカーボンナ
ノチューブが包含される。
明にかかわる純度の高い中空カーボンナノカプセルの製
造方法は、グラファイト陰極およびグラファイト陽極を
備えたアークチャンバーを準備し、このアークチャンバ
ーに不活性ガスを導入した後、パルス電流により電圧を
陰極と陽極とのあいだに印加してアーク放電を発生さ
せ、最後に、陰極上に堆積された堆積物を収集すること
により行われる。この堆積物には、主産物としての中空
カーボンナノカプセルおよび副産物としてのカーボンナ
ノチューブが包含される。
【００３０】本発明の方法によれば、上述した収集の工
程に引き続き、さらに、精製の工程を実行することがで
きる。精製の工程は、界面活性剤を用いて堆積物を溶媒
中に分散させてから、カラムクロマトグラフィーによ
り、主産物としての中空カーボンナノカプセルと、副産
物としてのカーボンナノチューブとを分離し、最後に、
回転遠心分離法によって中空カーボンナノカプセルから
界面活性剤を除去して行われる。
程に引き続き、さらに、精製の工程を実行することがで
きる。精製の工程は、界面活性剤を用いて堆積物を溶媒
中に分散させてから、カラムクロマトグラフィーによ
り、主産物としての中空カーボンナノカプセルと、副産
物としてのカーボンナノチューブとを分離し、最後に、
回転遠心分離法によって中空カーボンナノカプセルから
界面活性剤を除去して行われる。
【００３１】以下に、本発明をより詳細に説明すべく、
図面と対応させながら好適な実施の形態を例示するが、
これによって本発明を限定しようとするのではない。
図面と対応させながら好適な実施の形態を例示するが、
これによって本発明を限定しようとするのではない。
【００３２】本発明は、不活性ガスの高圧（１気圧以
上）下で、パルス電流によりアーク放電を発生させるも
のである。アーク放電時、電極表面の温度と炭素の蒸気
密度が変化するため、得られる中空カーボンナノカプセ
ルの収率が向上することとなる。
上）下で、パルス電流によりアーク放電を発生させるも
のである。アーク放電時、電極表面の温度と炭素の蒸気
密度が変化するため、得られる中空カーボンナノカプセ
ルの収率が向上することとなる。
【００３３】図１に示すのは本発明に基づくアークチャ
ンバーの構造図である。図１に示すように、アークチャ
ンバー１は、アーク放電を発生させるための少なくとも
一対の電極１０，１２を含んでいる。不活性ガスは、入
口１４から導入され、出口１６から排出される。さら
に、このアークチャンバー１の周囲を、流動する冷却水
で包囲する。図中、１６は冷却水入口、１８は冷却水出
口を示す。
ンバーの構造図である。図１に示すように、アークチャ
ンバー１は、アーク放電を発生させるための少なくとも
一対の電極１０，１２を含んでいる。不活性ガスは、入
口１４から導入され、出口１６から排出される。さら
に、このアークチャンバー１の周囲を、流動する冷却水
で包囲する。図中、１６は冷却水入口、１８は冷却水出
口を示す。
【００３４】本発明において、アーク放電は不活性ガス
下で行われ、不活性ガスの流量は、３０〜１２０ｃｍ3
／分、好ましくは、６０〜９０ｃｍ3／分のあいだで調
整することができる。流量が、３０ｃｍ3／分未満で
は、圧力を保持できず、酸素が混入してしまう傾向があ
り、１２０ｃｍ3／分を超えると、不活性ガスを無駄に
してしまう。本発明に適用される不活性ガスは、ヘリウ
ム、アルゴンおよび窒素とするが、これらに限定はされ
ない。
下で行われ、不活性ガスの流量は、３０〜１２０ｃｍ3
／分、好ましくは、６０〜９０ｃｍ3／分のあいだで調
整することができる。流量が、３０ｃｍ3／分未満で
は、圧力を保持できず、酸素が混入してしまう傾向があ
り、１２０ｃｍ3／分を超えると、不活性ガスを無駄に
してしまう。本発明に適用される不活性ガスは、ヘリウ
ム、アルゴンおよび窒素とするが、これらに限定はされ
ない。
【００３５】アークチャンバー１の圧力は、１〜１０気
圧のあいだで調整することができ、好適には１〜２気圧
である。アークチャンバーの圧力が、１気圧より低い
と、中空ナノカーボンカプセルの純度が低下して、副産
物としてのナノカーボンチューブが長くなる傾向があ
り、１０気圧より高いと、チャンバーに防爆装置を設置
しなければならなくなる。
圧のあいだで調整することができ、好適には１〜２気圧
である。アークチャンバーの圧力が、１気圧より低い
と、中空ナノカーボンカプセルの純度が低下して、副産
物としてのナノカーボンチューブが長くなる傾向があ
り、１０気圧より高いと、チャンバーに防爆装置を設置
しなければならなくなる。
【００３６】電極１０，１２は、それぞれグラファイト
からなっている。この種の電極１０，１２としては、グ
ラファイト棒の形式を採るのが一般的である。本発明の
中空カーボンナノカプセルの製造工程において、電気エ
ネルギーは、電源２からグラファイト陰極１０とグラフ
ァイト陽極１２に供給される。この電気エネルギーに
は、陰極１０と陽極１２とのあいだにアーク放電を発生
させ、かつ、陰極１０上に堆積物を堆積させるのに充分
な電圧が含まれる。
からなっている。この種の電極１０，１２としては、グ
ラファイト棒の形式を採るのが一般的である。本発明の
中空カーボンナノカプセルの製造工程において、電気エ
ネルギーは、電源２からグラファイト陰極１０とグラフ
ァイト陽極１２に供給される。この電気エネルギーに
は、陰極１０と陽極１２とのあいだにアーク放電を発生
させ、かつ、陰極１０上に堆積物を堆積させるのに充分
な電圧が含まれる。
【００３７】本発明では、アーク放電の発生時、所定の
周波数をもつパルス電流を用いて、陰極と陽極とのあい
だに電圧を印加する。一方、従来技術では、電圧を印加
するのに、パルス電流ではなく、ＤＣ（直流電流）また
はＡＣ（交流電流）が用いられている。本発明におい
て、パルス電流は０．０１〜５００Ｈｚのあいだで調整
でき、好ましくは５０〜７０Ｈｚである。パルス電流
が、０．０１Ｈｚより低いと、生成物が堆積されない傾
向があり、５００Ｈｚより高いと、ナノカーボンカプセ
ルの純度が低下し、副産物としてのナノカーボンチュー
ブが長くなる傾向がある。また、電流は５０〜５００Ａ
のあいだで調整でき、電圧は１０〜３０ｖのあいだで調
整が可能である。電流が、５０Ａより低いと、生成速度
が低下し、生成物は得られるものの、効率が悪くなる傾
向があり、５００Ａより高いと、システムがオーバーヒ
ートし、生成物中に不純物としてのコークスが多く残る
傾向がある。また、電圧が、１０ｖ〜３０ｖの範囲内に
ないと、生成物が堆積され得ず、得られるのは不純なカ
ーボンの灰のみとなる。
周波数をもつパルス電流を用いて、陰極と陽極とのあい
だに電圧を印加する。一方、従来技術では、電圧を印加
するのに、パルス電流ではなく、ＤＣ（直流電流）また
はＡＣ（交流電流）が用いられている。本発明におい
て、パルス電流は０．０１〜５００Ｈｚのあいだで調整
でき、好ましくは５０〜７０Ｈｚである。パルス電流
が、０．０１Ｈｚより低いと、生成物が堆積されない傾
向があり、５００Ｈｚより高いと、ナノカーボンカプセ
ルの純度が低下し、副産物としてのナノカーボンチュー
ブが長くなる傾向がある。また、電流は５０〜５００Ａ
のあいだで調整でき、電圧は１０〜３０ｖのあいだで調
整が可能である。電流が、５０Ａより低いと、生成速度
が低下し、生成物は得られるものの、効率が悪くなる傾
向があり、５００Ａより高いと、システムがオーバーヒ
ートし、生成物中に不純物としてのコークスが多く残る
傾向がある。また、電圧が、１０ｖ〜３０ｖの範囲内に
ないと、生成物が堆積され得ず、得られるのは不純なカ
ーボンの灰のみとなる。
【００３８】以上の条件下でアーク放電を発生させる
と、その後、陰極１０に堆積物が堆積する。本発明によ
って得られた中空カーボンナノカプセルのほとんどは、
堆積物のコア部分に存在している。よって、中空カーボ
ンナノカプセルを得るためには、陰極１０上の堆積物の
コア部分を収集するのがよい。この堆積物のコア部分は
黒色の粉末であり、以下、初期産物（ｃｒｕｄｅ ｐｒ
ｏｄｕｃｔ）という。この初期産物には、主産物として
の中空カーボンナノカプセルおよび副産物としての短い
カーボンナノチューブが包含されている。主産物として
のカーボンナノカプセルは、初期産物中に少なくとも５
０％以上含まれる。
と、その後、陰極１０に堆積物が堆積する。本発明によ
って得られた中空カーボンナノカプセルのほとんどは、
堆積物のコア部分に存在している。よって、中空カーボ
ンナノカプセルを得るためには、陰極１０上の堆積物の
コア部分を収集するのがよい。この堆積物のコア部分は
黒色の粉末であり、以下、初期産物（ｃｒｕｄｅ ｐｒ
ｏｄｕｃｔ）という。この初期産物には、主産物として
の中空カーボンナノカプセルおよび副産物としての短い
カーボンナノチューブが包含されている。主産物として
のカーボンナノカプセルは、初期産物中に少なくとも５
０％以上含まれる。
【００３９】この初期産物を精製すると、より純度の高
い中空カーボンナノカプセルが得られる。その精製工程
はつぎのようにして行う。まず、初期産物を界面活性剤
により溶媒中に分散させてから、カラムクロマトグラフ
ィーまたはろ過フィルムで、溶媒中の主産物としての中
空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカーボンナ
ノチューブとを分離する。最後に、回転遠心分離法によ
り、中空カーボンナノカプセルから界面活性剤を分離す
る。得られる中空カーボンナノカプセルの純度は９５％
以上である。
い中空カーボンナノカプセルが得られる。その精製工程
はつぎのようにして行う。まず、初期産物を界面活性剤
により溶媒中に分散させてから、カラムクロマトグラフ
ィーまたはろ過フィルムで、溶媒中の主産物としての中
空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカーボンナ
ノチューブとを分離する。最後に、回転遠心分離法によ
り、中空カーボンナノカプセルから界面活性剤を分離す
る。得られる中空カーボンナノカプセルの純度は９５％
以上である。
【００４０】本発明に適用される界面活性剤は、セチル
トリメチルアンモニウムブロミド等の陽イオン界面活性
剤、ドデシル硫酸ナトリウム等の陰イオン界面活性剤、
アルキルベタイン等の両イオン界面活性剤、またはラウ
リルアルコールエーテル等の非イオン界面活性剤とする
ことができる。界面活性剤は、一端が中空カーボンナノ
カプセルおよび短いカーボンナノチューブ表面のグラフ
ァイト構造と互いに吸引し合い、カーボン材上に分布す
る非極性であり、もう一端が極性溶媒中に分散可能であ
り、中空カーボンナノカプセルおよび短いカーボンナノ
チューブの極性溶媒相への分散を助けることのできる極
性である。好適な具体例としては、セチルトリメチルア
ンモニウムブロミドと、ドデシル硫酸ナトリウムがあげ
られる。
トリメチルアンモニウムブロミド等の陽イオン界面活性
剤、ドデシル硫酸ナトリウム等の陰イオン界面活性剤、
アルキルベタイン等の両イオン界面活性剤、またはラウ
リルアルコールエーテル等の非イオン界面活性剤とする
ことができる。界面活性剤は、一端が中空カーボンナノ
カプセルおよび短いカーボンナノチューブ表面のグラフ
ァイト構造と互いに吸引し合い、カーボン材上に分布す
る非極性であり、もう一端が極性溶媒中に分散可能であ
り、中空カーボンナノカプセルおよび短いカーボンナノ
チューブの極性溶媒相への分散を助けることのできる極
性である。好適な具体例としては、セチルトリメチルア
ンモニウムブロミドと、ドデシル硫酸ナトリウムがあげ
られる。
【００４１】初期産物を分散させる溶媒としては、水、
アルコール、ケトンが挙げられる。極性溶媒であること
を要するために、より好ましくは、水が挙げられる。
アルコール、ケトンが挙げられる。極性溶媒であること
を要するために、より好ましくは、水が挙げられる。
【００４２】また、カラムクロマトグラフィーについ
て、好ましいカラムは、サイズ排除機能を有するもので
ある。中空カーボンナノカプセルの大きさは、１〜１０
０ｎｍのあいだ、より好ましくは３〜６０ｎｍであり、
短いカーボンナノチューブの大きさは、０．１〜２μｍ
のあいだ、より好ましくは０．２〜０．８μｍであるの
で、サイズ排除機能を有するカラムが好ましい。さら
に、カラムの先端にろ過フィルムが備えられ、そのろ過
フィルムの孔径が０．１〜１．０μｍであると好適であ
る。なお、カラムクロマトグラフィーは使用せずに、ろ
過フィルムのみで分離を行ってもよい。分離にろ過フィ
ルムを用いる場合は、よりよい分離効果を得るために、
数回に分けてろ過を行うこともできる。
て、好ましいカラムは、サイズ排除機能を有するもので
ある。中空カーボンナノカプセルの大きさは、１〜１０
０ｎｍのあいだ、より好ましくは３〜６０ｎｍであり、
短いカーボンナノチューブの大きさは、０．１〜２μｍ
のあいだ、より好ましくは０．２〜０．８μｍであるの
で、サイズ排除機能を有するカラムが好ましい。さら
に、カラムの先端にろ過フィルムが備えられ、そのろ過
フィルムの孔径が０．１〜１．０μｍであると好適であ
る。なお、カラムクロマトグラフィーは使用せずに、ろ
過フィルムのみで分離を行ってもよい。分離にろ過フィ
ルムを用いる場合は、よりよい分離効果を得るために、
数回に分けてろ過を行うこともできる。
【００４３】最後に回転遠心分離法により、中空カーボ
ンナノカプセルから界面活性剤を分離するが、遠心分離
の条件としては、回転速度を５０００回転／秒として２
０分間行うのが好ましい。この条件で遠心分離を行え
ば、中空カーボンナノカプセルと界面活性剤とを分離し
得る。
ンナノカプセルから界面活性剤を分離するが、遠心分離
の条件としては、回転速度を５０００回転／秒として２
０分間行うのが好ましい。この条件で遠心分離を行え
ば、中空カーボンナノカプセルと界面活性剤とを分離し
得る。
【００４４】従来技術に比較して、本発明は、少なくと
もつぎのような長所を有する。
もつぎのような長所を有する。
【００４５】本発明は、高純度の中空カーボンナノカプ
セルを得る製造方法として、現在唯一のものである。
セルを得る製造方法として、現在唯一のものである。
【００４６】本発明によれば、初期産物（陰極における
堆積物のコア部分）に、約７０％の中空カーボンナノカ
プセルと約３０％の短いカーボンナノチューブとが含ま
れる。分散され難い長いカーボンナノチューブは形成さ
れないので、初期産物が液相中に分散され易くなる。こ
のように、簡単かつ非破壊的な方法によって初期産物が
精製され得るために、中空カーボンナノカプセルの開発
に寄与できる。
堆積物のコア部分）に、約７０％の中空カーボンナノカ
プセルと約３０％の短いカーボンナノチューブとが含ま
れる。分散され難い長いカーボンナノチューブは形成さ
れないので、初期産物が液相中に分散され易くなる。こ
のように、簡単かつ非破壊的な方法によって初期産物が
精製され得るために、中空カーボンナノカプセルの開発
に寄与できる。
【００４７】本発明の工程によれば、低コストで中空カ
ーボンナノカプセルを製造でき、かつ、その初期産物の
精製も容易になる。したがって、本発明による工程は、
慣用されているカーボンナノチューブの製造工程に取っ
て代わる潜在性を具備している。
ーボンナノカプセルを製造でき、かつ、その初期産物の
精製も容易になる。したがって、本発明による工程は、
慣用されているカーボンナノチューブの製造工程に取っ
て代わる潜在性を具備している。
【００４８】
【実施例】以下の実施例は、本発明の工程および長所を
充分に説明すべく例示するもので、本発明の範囲を限定
しようとするものではない。
充分に説明すべく例示するもので、本発明の範囲を限定
しようとするものではない。
【００４９】本実施例により、図１に示したアークチャ
ンバーを用いた中空カーボンナノカプセルの製造方法に
ついて説明する。
ンバーを用いた中空カーボンナノカプセルの製造方法に
ついて説明する。
【００５０】２本のグラファイト棒を、直径０．２４イ
ンチの陰極および陽極としてそれぞれ使用した。陰極の
方を短めにし、その長さを８〜１０ｃｍ以下とした。流
量６０〜９０ｃｍ3／分でアルゴンをアークチャンバー
に導入し、アークチャンバーの圧力を１．２気圧とし
た。さらに、流動する冷却水でアークチャンバーの周囲
を包囲した。
ンチの陰極および陽極としてそれぞれ使用した。陰極の
方を短めにし、その長さを８〜１０ｃｍ以下とした。流
量６０〜９０ｃｍ3／分でアルゴンをアークチャンバー
に導入し、アークチャンバーの圧力を１．２気圧とし
た。さらに、流動する冷却水でアークチャンバーの周囲
を包囲した。
【００５１】パルス電流約６０Ｈｚ・電圧約２０Ｖ・電
流約１００Ａの条件下で、アーク放電を発生させ、約３
０分間反応させた後で停止すると、陰極のグラファイト
棒上に堆積物が得られた。その堆積物の長さは約３〜４
ｃｍ、直径はグラファイト棒とほぼ同じであった。つい
で、その堆積物を切り離したら、堆積物（重量約２ｇ）
のコア部分に初期産物としての黒色の粉末（重量約０．
５ｇ）が発見された。その初期産物には、約７０％の中
空カーボンナノカプセル、約３０％の短いカーボンナノ
チューブ、および少量のカーボン粒子が含まれていた。
図２に示すのは、初期産物としての中空カーボンナノカ
プセルの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ＝ｔｒａｎｓｍｉｓ
ｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）
写真である。
流約１００Ａの条件下で、アーク放電を発生させ、約３
０分間反応させた後で停止すると、陰極のグラファイト
棒上に堆積物が得られた。その堆積物の長さは約３〜４
ｃｍ、直径はグラファイト棒とほぼ同じであった。つい
で、その堆積物を切り離したら、堆積物（重量約２ｇ）
のコア部分に初期産物としての黒色の粉末（重量約０．
５ｇ）が発見された。その初期産物には、約７０％の中
空カーボンナノカプセル、約３０％の短いカーボンナノ
チューブ、および少量のカーボン粒子が含まれていた。
図２に示すのは、初期産物としての中空カーボンナノカ
プセルの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ＝ｔｒａｎｓｍｉｓ
ｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）
写真である。
【００５２】続いて、界面活性剤（セチルトリメチルア
ンモニウムブロミド）を用い、初期産物を溶媒（水）中
に分散させてから、０．２μｍのろ過フィルムを備える
カラムクロマトグラフィーによって分散溶媒中の中空カ
ーボンナノカプセルとカーボンナノチューブとを分離し
た。最後に、高速の回転遠心分離法（遠心速度、５００
０回転／秒、２０分）により、界面活性剤を中空カーボ
ンナノカプセルから除去し、９５％以上の高純度中空カ
ーボンナノカプセルを得た。得られた中空カーボンナノ
カプセルの量は、０．２〜０．５ｇであった。図３に示
すのは、精製後の中空カーボンナノカプセルのＴＥＭ写
真であり、図４に示すのは、精製後の中空カーボンナノ
カプセルの高解像ＴＥＭ写真である。
ンモニウムブロミド）を用い、初期産物を溶媒（水）中
に分散させてから、０．２μｍのろ過フィルムを備える
カラムクロマトグラフィーによって分散溶媒中の中空カ
ーボンナノカプセルとカーボンナノチューブとを分離し
た。最後に、高速の回転遠心分離法（遠心速度、５００
０回転／秒、２０分）により、界面活性剤を中空カーボ
ンナノカプセルから除去し、９５％以上の高純度中空カ
ーボンナノカプセルを得た。得られた中空カーボンナノ
カプセルの量は、０．２〜０．５ｇであった。図３に示
すのは、精製後の中空カーボンナノカプセルのＴＥＭ写
真であり、図４に示すのは、精製後の中空カーボンナノ
カプセルの高解像ＴＥＭ写真である。
【００５３】本発明を説明するために好適な実施例を例
示したが、以上に開示した発明に基づいての変更や修飾
は可能である。上に掲げた実施例は、本発明の原理を説
明するための最良の態様を提示すべく選択し記載したも
のである。これによって、当該分野の知識を有する者
は、多様な実施の形式において、また、所定の用途に応
じた多種の変形を施すことによって、本発明を利用する
ことができるようになる。なお、これら変更および修飾
はいずれも、前記した特許請求の範囲が適法に認められ
た場合に、それにより決定される本発明の範囲内におい
て行われるものとする。
示したが、以上に開示した発明に基づいての変更や修飾
は可能である。上に掲げた実施例は、本発明の原理を説
明するための最良の態様を提示すべく選択し記載したも
のである。これによって、当該分野の知識を有する者
は、多様な実施の形式において、また、所定の用途に応
じた多種の変形を施すことによって、本発明を利用する
ことができるようになる。なお、これら変更および修飾
はいずれも、前記した特許請求の範囲が適法に認められ
た場合に、それにより決定される本発明の範囲内におい
て行われるものとする。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明が提案する
中空カーボンナノカプセルの製造方法によれば、初期産
物（陰極における堆積物のコア部分）に、約７０％の中
空カーボンナノカプセルおよび約３０％の短いカーボン
ナノチューブとが含まれ、分散され難い長いカーボンナ
ノチューブは含まれない。よって、初期産物は、液相中
で分散され易くなり、簡単かつ非破壊的な方式で容易に
初期産物が精製され得る。したがって、本発明は、これ
までになかった中空カーボンナノカプセルの製造方法を
提供し、かつその工程は低コストで行えるため、中空カ
ーボンナノカプセルの応用・開発に寄与できる。
中空カーボンナノカプセルの製造方法によれば、初期産
物（陰極における堆積物のコア部分）に、約７０％の中
空カーボンナノカプセルおよび約３０％の短いカーボン
ナノチューブとが含まれ、分散され難い長いカーボンナ
ノチューブは含まれない。よって、初期産物は、液相中
で分散され易くなり、簡単かつ非破壊的な方式で容易に
初期産物が精製され得る。したがって、本発明は、これ
までになかった中空カーボンナノカプセルの製造方法を
提供し、かつその工程は低コストで行えるため、中空カ
ーボンナノカプセルの応用・開発に寄与できる。
【図１】本発明に基づくアークチャンバーを示す構造図
である。
である。
【図２】本発明による中空カーボンナノカプセルの初期
産物を示すＴＥＭ写真である。
産物を示すＴＥＭ写真である。
【図３】本発明による精製後の中空カーボンナノカプセ
ルを示すＴＥＭ写真である。
ルを示すＴＥＭ写真である。
【図４】本発明による精製後の中空カーボンナノカプセ
ルを示す高解像度ＴＥＭ写真である。
ルを示す高解像度ＴＥＭ写真である。
１ アークチャンバー
２ 電源
１０ グラファイト陰極
１２ グラファイト陽極
１４ 不活性ガス入口
１６ 不活性ガス出口
１８ 冷却水入口
２０ 冷却水出口
Claims (22)
- 【請求項１】 （ａ）グラファイト陰極とグラファイト
陽極とを備えるアークチャンバーを準備し、このアーク
チャンバーに不活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス
電流により該グラファイト陰極と該グラファイト陽極と
のあいだに電圧を印加して、アーク放電を発生させる工
程、および（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した堆積
物を収集する工程、からなる中空カーボンナノカプセル
の製造方法。 - 【請求項２】 前記不活性ガスの流量が、３０〜１２０
ｃｍ3／分である請求項１記載の製造方法。 - 【請求項３】 前記アークチャンバーの圧力が、１〜１
０気圧である請求項１記載の製造方法。 - 【請求項４】 前記グラファイト陰極および前記グラフ
ァイト陽極が、グラファイト棒からなる請求項１記載の
製造方法。 - 【請求項５】 前記パルス電流の周波数が、０．０１〜
５００Ｈｚである請求項１記載の製造方法。 - 【請求項６】 前記アーク放電を、パルス電流０．０１
〜５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００Ａ
の下で発生させる請求項１記載の製造方法。 - 【請求項７】 前記工程（ｃ）が、前記グラファイト陰
極に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われる
請求項１記載の製造方法。 - 【請求項８】 前記堆積物の前記コア部分が、主産物と
しての中空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカ
ーボンナノチューブとを含む請求項７記載の製造方法。 - 【請求項９】 （ａ）グラファイト陰極とグラファイト
陽極とを備えるアークチャンバーを準備し、このアーク
チャンバーに不活性ガスを導入する工程、（ｂ）パルス
電流により該グラファイト陰極と該グラファイト陽極と
のあいだに電圧を印加して、アーク放電を発生させる工
程、（ｃ）該グラファイト陰極上に堆積した、主産物と
しての中空カーボンナノカプセルと、副産物としてのカ
ーボンナノチューブとを包含する堆積物を収集する工
程、および（ｄ）該堆積物を分離により精製して中空カ
ーボンナノカプセルを得る工程、からなる中空カーボン
ナノカプセルの製造方法。 - 【請求項１０】 前記不活性ガスの流量が、３０〜１２
０ｃｍ3／分である請求項９記載の製造方法。 - 【請求項１１】 前記アークチャンバーの圧力が、１〜
１０気圧である請求項９記載の製造方法。 - 【請求項１２】 前記パルス電流の周波数が、０．０１
〜５００Ｈｚである請求項９記載の製造方法。 - 【請求項１３】 前記アーク放電を、パルス電流０．０
１〜５００Ｈｚ・電圧１０〜３０Ｖ・電流５０〜５００
Ａの下で発生させる請求項９記載の製造方法。 - 【請求項１４】 前記工程（ｃ）が、前記グラファイト
陰極に堆積した前記堆積物のコア部分を収集して行われ
る請求項９記載の製造方法。 - 【請求項１５】 前記工程（ｄ）が、（ｄ１）界面活性
剤により前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ
２）カラムクロマトグラフィーにより前記主産物として
の中空カーボンナノカプセルと、前記副産物としてのカ
ーボンナノチューブとを分離する工程、および（ｄ３）
回転遠心分離法により前記中空カーボンナノカプセルか
ら前記界面活性剤を除去する工程、からなる請求項９記
載の製造方法。 - 【請求項１６】 前記界面活性剤が、陽イオン界面活性
剤、陰イオン界面活性剤、両イオン界面活性剤、または
非イオン界面活性剤である請求項１５記載の製造方法。 - 【請求項１７】 前記界面活性剤が、セチルトリメチル
アンモニウムブロミドまたはドデシル硫酸ナトリウムで
ある請求項１５記載の製造方法。 - 【請求項１８】 前記工程（ｄ２）は、その先端にろ過
フィルムが備わったカラムを使用して行われる請求項１
５記載の製造方法。 - 【請求項１９】 前記ろ過フィルムの孔径が、０．１〜
１．０μｍである請求項１８記載の製造方法。 - 【請求項２０】 前記工程（ｄ３）によって得られた前
記中空カーボンナノカプセルが、９５％以上の純度を有
する請求項１５記載の製造方法。 - 【請求項２１】 前記工程（ｄ）が、（ｄ１）界面活性
剤により前記堆積物を溶媒中に分散させる工程、（ｄ
２）ろ過フィルムにより前記主産物としての中空カーボ
ンナノカプセルと、前記副産物としてのカーボンナノチ
ューブとを分離する工程、（ｄ３）回転遠心分離法によ
り前記中空カーボンナノカプセルから前記界面活性剤を
除去する工程、からなる請求項９記載の製造方法。 - 【請求項２２】 前記ろ過フィルムの孔径が、０．１〜
１．０μｍである請求項２１記載の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW91103635 | 2002-02-27 | ||
| TW91103635A TW575520B (en) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | Preparation of hollow carbon nanocapsules |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003252614A true JP2003252614A (ja) | 2003-09-10 |
| JP3561265B2 JP3561265B2 (ja) | 2004-09-02 |
Family
ID=27752477
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002318491A Expired - Lifetime JP3561265B2 (ja) | 2002-02-27 | 2002-10-31 | 中空カーボンナノカプセルの製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7156958B2 (ja) |
| JP (1) | JP3561265B2 (ja) |
| TW (1) | TW575520B (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005219998A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Osaka Gas Co Ltd | アモルファスカーボンナノカプセル及びその製造方法 |
| JP2007039623A (ja) * | 2005-07-08 | 2007-02-15 | Hokkaido Univ | カーボンナノチューブ分散ペースト、カーボンナノチューブ分散溶液およびその製造方法 |
| JP2007506567A (ja) * | 2003-09-24 | 2007-03-22 | ナノテクノロジーズ、インコーポレイテッド | ナノパウダー合成用のパルスアーク放電 |
| JP2007536189A (ja) * | 2004-05-05 | 2007-12-13 | エヌ テック アーエス | カーボンナノチューブの製造 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7723406B2 (en) * | 2002-12-26 | 2010-05-25 | Industrial Technology Research Institute | Polymer-chain-grafted carbon nanocapsule |
| TWI312353B (en) * | 2002-12-26 | 2009-07-21 | Ind Tech Res Inst | Polymer chain grafted carbon nanocapsule |
| US8287835B2 (en) * | 2003-06-27 | 2012-10-16 | Industrial Technology Research Institute | Organically functionalized carbon nanocapsule |
| TWI353342B (en) | 2007-04-24 | 2011-12-01 | Ind Tech Res Inst | Carbon nanocapsules-layered silicate hybrid and pr |
| TWI393755B (zh) * | 2008-11-28 | 2013-04-21 | Ind Tech Res Inst | 粉體塗裝之塗料及方法 |
| US8564954B2 (en) | 2010-06-15 | 2013-10-22 | Chipmos Technologies Inc. | Thermally enhanced electronic package |
| US10138129B2 (en) | 2016-05-24 | 2018-11-27 | Ford Global Technologies, Llc | Carbon spheres and methods of making the same |
Family Cites Families (7)
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| US5641466A (en) * | 1993-06-03 | 1997-06-24 | Nec Corporation | Method of purifying carbon nanotubes |
| JPH0822733B2 (ja) * | 1993-08-04 | 1996-03-06 | 工業技術院長 | カーボンナノチューブの分離精製方法 |
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